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2017太赫兹科技发展回顾与展望

2018.5.28

随着2018年的即将到来，2017已离我们越来越远。回顾发展历程，总结经验启示，瞻望美好未来，谋划创新思路，是对来年的提前布局、未雨绸缪，也是对来年太赫兹科技带给我们更多惊喜和突破、迎来更为广阔发展前景的期待。回首2017，太赫兹科学研究取得了哪些重要进展？太赫兹产业应用取得了哪些重要突破？展望2018，太赫兹领域发展的最新趋势如何？面临机遇和挑战我们又应如何应对？在此，太赫兹研发网年终特别策划之“2017太赫兹科技发展回顾与展望”将为您一一盘点。

一、聚焦太赫兹领域研发进展 2017 我国学者硕果累累

1、基于量子级联激光器太赫兹光源生成“新记录”超短脉冲

奥地利维也纳技术大学（TUW )和瑞士苏黎世联邦理工学院( ETHZ )的研究人员在激光谐振器上增加侧边吸收器，创造了跨越整八度的发射频宽。侧边吸收器可产生超短太赫兹脉冲，脉冲宽度可少于3皮秒。这创造了采用量子级联激光器生成太赫兹脉冲的世界新记录。

2、“头发丝”上的电子波荡器产生太赫兹辐射

中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室徐至展、李儒新、刘建胜等提出并实现了一种微型、瞬态的波荡器方案。利用超强超短激光与金属丝相互作用，在产生高能电子束的同时，巧妙地利用电荷分离效应构建了微型、瞬态的电子波荡器，并基于该全新波荡器方案获得了非线性放大的强THz辐射输出。

论文审稿人高度评价该论文描述了一种产生高能准单周期THz脉冲的新方法。这一概念令人惊叹，是产生THz的一个重要并高效的新方法

3、上海微系统所在宽谱太赫兹频梳方面取得进展

中国科学院上海微系统与信息技术研究所太赫兹固态技术重点实验室曹俊诚、黎华领衔的研究团队基于高效的连续波、电泵浦太赫兹量子级联激光器（THz QCL）光源，克服THz激光器的窄带瓶颈，在国际上首次实现匀质、宽谱THz QCL频梳（Frequency comb），频率连续覆盖范围达到330 GHz。

4、芯片尺寸的高速太赫兹调制器提高了更快数据传输的可能性

塔夫茨大学的工程师发明了一种芯片尺寸的高速调制器，在太赫兹（THz）频率以及室温低电压下工作，并且不消耗直流电源。

5、新加坡团队开发灵活的太赫兹源

在NUS工程学院和NUS纳米科学与纳米技术研究所的电气与计算机工程系副教授杨贤硕和吴扬博士的带领下，研究团队开发了高性能、低功耗的太赫兹发射器，能够以低成本批量生产，解决了该技术工业应用的关键挑战之一。

6、“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”项目启动

由国家自然科学基金委组织、中国科学技术大学教授陆亚林承担的国家重大科研仪器研制项目“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”项目启动会在中国科大召开。

项目目标为研制一套全新的太赫兹近场高通量材料物性测试系统，系统将通过集成可调谐预聚束太赫兹自由电子激光与宽谱脉冲光源、探针和样品双扫描模式等核心技术，实现在可控温度、矢量磁场、电场等条件下对功能材料在宽太赫兹谱段范围的复光学常数的高空间时间分辨、高灵敏测量，并通过复光学常数与功能材料的特征物性之间的共性关联，揭示与之直接关联的功能材料特征物性，可以实施材料物性精密测量和快速材料筛选。仪器研制成功后有望在材料基因组工程、功能材料等方面的研究上获得重要应用，对进一步发现新材料将起到十分重要的作用。

7、苏州纳米所取得高灵敏度太赫兹探测器研究新进展

中科院苏州纳米所、中科院纳米器件与应用重点实验室秦华团队公布了能够在液氮温度下灵敏探测太赫兹波黑体辐射的氮化镓基高电子迁移率晶体管探测器研究结果，首次直接验证了天线耦合的场效应晶体管可用于非相干太赫兹波的灵敏探测。

对非相干太赫兹波的灵敏探测的实现表明场效应晶体管太赫兹探测器将能够在太赫兹波人体安检、无损检测和大气环境检测等主、被动成像与探测等应用中发挥作用。

8、“变革性技术关键科学问题”重点专项明确12项任务：成像、太赫兹等需求明显

国家重点研发计划启动实施“变革性技术关键科学问题”重点专项。新型太赫兹辐射源被列入其中。

“变革性技术关键科学问题”重点专项重点支持相关重要科学前沿或我国科学家取得原创突破，应用前景明确，有望产出具有变革性影响技术原型，对经济社会发展产生重大影响的前瞻性、原创性的基础研究和前沿交叉研究(如材料素化、碳基资源催化、超构材料、太赫兹科学技术等方向)。启动包括面向生物医学应用研究的新型太赫兹辐射源在内的12项左右任务。

在《面向生物医学应用研究的新型太赫兹辐射源》任务中，要面向太赫兹波生物效应及检测等生物医学应用，探索自由电子与新兴材料及新型结构互作用产生太赫兹辐射的物理机制，揭示变革性太赫兹辐射的基本规律，突破传统太赫兹辐射源的技术瓶颈，产生宽频带可调谐、大功率、连续波小型化和具有一定无衍射长度的相干太赫兹辐射。

9、国家重大科研仪器研制项目“太赫兹超导阵列成像系统”结题验收会在南京召开

6月30日，中国科学院紫金山天文台承担的国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）“太赫兹超导阵列成像系统”结题验收会在南京召开。

该项目是国家基金委首批立项的9项国家重大科研仪器研制项目之一。史生才项目组历时5年时间，攻克了国际前沿的超导动态电感探测器（KID）及超导相变边缘探测器（TES）技术，成功研制了高灵敏度850微米波段8×8像元和350微米波段1024像元超导阵列成像系统，处于国际同类探测器系统的前沿水平。项目研制过程中，项目组共申请国家发明ZL14项和软件著作权4项，并发表了一批高水平论文。

10、半导体所研制出面向860GHz CMOS太赫兹图像传感器的像素器件

中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室高速图像传感及信息处理课题组副研究员刘力源等研制出面向860GHz CMOS太赫兹图像传感器的像素器件。

课题组研制出一种基于标准CMOS工艺的太赫兹像素器件及其集成化低噪声信号处理电路。器件采用了自主设计的CMOS片上天线、太赫兹波段匹配网络和高电压响应度晶体管结构。在常温工作条件下，像素器件的太赫兹电压响应率为3.3kV/W @860GHz，噪声等效功率为106pW/Hz0.5。课题组也验证了像素器件信号处理电路，它集成了低噪声斩波式仪表放大器和高精度的SD-ADC，为实现单片集成高分辨率太赫兹图像传感器奠定了基础。

基于像素器件，有望进一步实现大面阵CMOS太赫兹图像传感器，提升我国在太赫兹成像领域的国际竞争力。

11、首次太赫兹多路复用数据传输试验将通信速率提高100倍

来自美国布朗大学等机构的研究人员首次展示了利用太赫兹波进行多路复用数据传输的方法，数据传输速率可达50Gbps，这种高频电磁波可以使下一代超高带宽无线网络通信成为可能。

12、液态水可以产生太赫兹波

通过用超短激光脉冲照射一层薄薄的水薄膜，由北京首都师范大学、纽约罗切斯特大学光学研究所、俄罗斯圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学组成的联合研究团队已经证明，液态水可产生太赫兹 (THz) 波，这将为太赫兹波在如无线数据传输，工业质量控制和具有穿透能力的高分辨率成像等领域的应用提供了又一种可能。

13、新的太赫兹成像方法可以加速皮肤癌的检测

英国埃克塞特大学团队开发了一种新的太赫兹成像方法，首先可以获得微米尺度分辨率图像，同时保留旨在提高图像采集速度的计算方法。这种组合可使太赫兹成像用于检测早期皮肤癌而无需病人进行组织活检。其用太赫兹成像的近场方法，可以达到约9微米空间分辨率，并且兼容压缩传感和自适应成像算法的研究，相较传统技术，其图像采集速度要快3倍。

14、新型石墨烯基太赫兹吸收器诞生：未来应用前景好！

来自意大利 CNR-Istituto Nanoscienze 和英国剑桥大学的石墨烯旗舰项目（Graphene Flagship）的研究人员使用由液相剥离法、转移涂层沉积、喷墨印刷技术制造出的石墨烯，创造出一种太赫兹可饱和吸收器。它比迄今为止的其他设备的吸收调制要高一个数量级。

15、太赫兹标准联盟成立 “抱团”发展彰显巨大潜力

为促进产业发展，9月19日，华讯方舟科技有限公司、深圳市标准技术研究院、深圳市太赫兹科技创新研究院、深圳市一体太赫兹科技有限公司、深圳市鹏星光电科技有限公司等16家企业或单位联合成立了太赫兹产业标准联盟，以更高标准创品牌、树信誉、拓市场，增强深圳太赫兹企业竞争力。联盟成立后，形成合力，“产、学、研”有机结合，促进成员间共享及互惠互利，并争取早日制定出行业标准，填补标准的空白。

16、石墨烯在柔性材料上激励高速电子

一个太赫兹频段（1000GHz）的灵活的探测器已被瑞典查尔莫斯理工大学研究人员使用石墨烯晶体管在塑料基板上研发出来。这是同类产品中的第一个，可以将太赫兹技术的应用延拓到需要柔性电子设备的应用，如无线传感器网络和可穿戴技术。

17、液体将成为太赫兹辐射源之光

印度塔塔基础研究院（TIFR）得到一项重大研究突破，研究人员成功设计了一款工作在太赫兹波段的高功率辐射源。这项与希腊、法国实验室合作的研究成果于2017年10月30日在《Nature Communications》期刊上发表。

在实验中，他们用中等能量的飞秒激光脉冲照射一些常见的实验液体（如甲醇，丙酮，二氯乙烷，二硫化碳甚至水）之后，发现液体被电离后会形成一种长等离子体通道，称为长丝。实验测得其能量高达50微焦，千倍于绝大多数现有辐射源所释放出的能量，是在空气中产生的能量的10到20倍。

18、基于纳米材料的太赫兹人物同检系统研制成功

国家纳米中心、清华大学、同方威视技术股份有限公司联合开展攻关，成功制备了纳米多层膜结构的高灵敏度、可在室温下工作的太赫兹探测器，并在此基础上开发了人物同检原型样机，该样机技术指标达到：检测非金属行李厚度15cm，二维空间分辨率1cm*1cm，成像速度3.6帧/秒。

19、太赫兹知名学者Peter H. Siegel教授做客电子科技大学银杏讲坛

近日，受刘盛纲院士邀请，美国加州理工学院电气工程学院教授、NASA喷气推进实验室高级研究员Peter H. Siegel做客第34期银杏讲坛，为电子科技大学师生带来以太赫兹科学技术与应用为主题的精彩学术讲座。讲座由刘盛纲院士主持。

刘盛纲院士对Siegel教授的到来表示热烈欢迎，介绍了Siegel教授的研究方向和系列研究成果。Siegel教授在积极推动国际太赫兹科学技术与应用的发展方面做出了重要贡献，任IRMMW-THz（国际红外与毫米波－太赫兹）会议总主席，是IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology的创办人和主编。

讲座中，Siegel教授介绍了过去45年间太赫兹领域科学研究取得的成果以及在各交叉领域的发展。作为NASA喷气推进实验室高级研究员，Siegel教授结合在NASA的工作经历，介绍了他所领导的团队在将太赫兹技术应用于航空航天领域的研究成果。此外，Siegel教授还重点阐述了太赫兹成像在医疗领域的应用。在加州理工学院，Siegel教授带领团队进行了太赫兹生物医学应用研究，包括特神经元和血液化学监测等。他还介绍了太赫兹在皮肤烧伤或皮肤癌的早期诊断、口腔疾病诊断、活体DNA鉴别等领域的应用。

20、第六届深圳先进科学与技术国际会议隆重召开

2017年12月4日，第六届深圳先进科学与技术国际会议（The 6th Shenzhen International Conference on Advanced Science and Technology, SICAST 2017）在深圳隆重召开，会议主题为“太赫兹成熟科技及应用”（Maturing Technology and Applications in THz Science and Technology）。本次会议聚焦太赫兹科学技术与应用最新研究成果，研讨太赫兹科学技术未来的发展方向及其在经济社会发展中的应用前景，推动太赫兹科学事业向纵深发展。

二、太赫兹领域突破不断 2018更多飞跃值得期待

2017年太赫兹领域热点事件不止于此，上述新闻仅是2017年太赫兹科学技术成果和产业化进展的缩影。由是观之，2017年我国太赫兹科研工作者和产业工作者在太赫兹研究及产业化实践上获得了很多可喜的进展和突破, 成绩斐然, 一些成果举世瞩目。太赫兹研发成果得以落地，产业格局初步搭建，地区性太赫兹合作联盟崛起，政府支持力度持续加大。

中国的太赫兹研究从香山科学会议出发，在科技创新发展的广阔大海中破浪前行，与国际同行携手，推动太赫兹领域开放、合作、交流、共享，我们一直在路上。

展望2018，太赫兹科学技术研究和产业化发展仍蕴藏无限潜力，将继续保持较快发展势头。太赫兹科学技术研究和产业化进程中所蕴藏的巨大发展潜力，将得到进一步挖掘。包括太赫兹科技在内的新一代信息技术进入快速增长期。在国务院重点推进的六大领域消费中，信息消费排在首位。在“宽带中国”战略推动下，2016年，中国数字经济规模总量达22.58万亿元，跃居全球第二，占GDP比重达30.3%，信息消费取得新突破。与此同时，国家也加快了在集成电路等产业的布局，通过专项规划、产业基金、兼并重组、政策扶持等措施加快推进产业发展。这既是太赫兹科技事业快速发展的机遇也是巨大的挑战。

我国太赫兹科技在国防和民用领域的应用发展当前主要着重于安检和无损检测方向，中期则注重于无线通讯和生物医药方向，长期则推进太赫兹全产业链化和各应用方向的跨越式发展。基于此，太赫兹科技研发和产业化发展的重点应着眼于以下几个方面：

① 加快突破核心技术夯实产业技术基础 瞄准国家重大战略需求和未来产业发展制高点，围绕太赫兹研发与产业化关键环节和重点领域，紧紧抓住产业价值链高端环节如高功率辐射源，高灵敏度探测器，核心芯片，太赫兹波器件，光谱系统等具有自主知识产权和核心技术的关键组件和系统的研发与产业化，协调各方资源协同攻关，寻求差异化突破，同步进行多领域、多学科交叉的应用市场开拓，面向市场的重大需求，催生出成熟的产业化技术，进一步夯实发展基础。优化创新资源配置，重构产业价值链，强化产业链协同创新机制，通过投融资和资本纽带，形成价值互联共享，促进太赫兹技术和产业的发展能力。

② 优化太赫兹产业空间布局加强产业模式创新促进融合发展 在产业定位方面避免产业结构趋同化现象。在全局层面，引导制订科学合理的太赫兹产业布局规划，避免重复建设。在区域层面，体现比较优势，充分考虑各地区位优势、资源优势、产业优势和研发优势，选择在本地区最有基础、最具优势条件、最能够取得率先突破的细分应用领域如基础科学研究、材料无损检测、质量检测、安全检查、医学成像、室内局域无线通信、高速局域网络通信、军事国土安全等进行优先发展，避免产品同质化和低水平发展现象的产生。开展区域合作，以产业链、价值链为纽带，通过上下游配套合作，共建区域性产业集聚区，打造产业特色。根据太赫兹领域不同阶段的不同发展趋势，适时推进产业模式创新，如“资本+股权”、“资源+项目”、“资产+政策”等产业模式，促进融合发展，推动太赫兹产业迅速成长扩大。

③ 在资本市场层面打造“政府、金融机构、社会”三位一体的金融支持体系 根据国家战略布局要求，构建与国家重大发展战略相适应、与区域发展战略相契合、与战略方向使命任务相匹配的金融资本布局。通过政府贴息或长期低息贷款，提高中长期贷款比重，设立产业投资基金、股权投资基金，支持创新能力强、发展潜力大的企业通过上市融资、发行债券，或在银行间债券市场发行非金融企业债券等融资方式，引导多渠道资金支持太赫兹科技研究和产业发展。融资机构信贷重点向太赫兹领域倾斜。社会中介层面，加强对无形资产的评估能力，探索知识产权质押、供应链融资、股权质押等多元化融资模式，完善融资担保体系。引导良性金融资本向创新型、具有良好发展前景和市场竞争能力的太赫兹研发企业更大的投入，提升对太赫兹产业和新兴技术的金融支持能力。资本的密集进入必然会带动整个领域的持续快速发展。

④ 优化完善配套政策体系建设 从太赫兹研究开发的实际需求出发，根据领域发展的不同特点，进一步优化完善产业发展政策、技术创新政策、要素保障政策、应用推广政策等配套政策支持体系，建设开放包容、创新发展的生态圈，优化发展环境。加强前瞻性部署，通过国家科技重大专项等加大对前沿性、关键性、基础性和共性技术的研发支持，推动企业、高校、政府等共同组建技术联盟，以创新应用进一步开拓市场，提升整体竞争力。

2018是“十三五”规划承前启后之年，也是谋划“十四五”规划的关键之年。我们相信，政府产业政策体系将进一步完善，支持方式将不断优化，产业发展模式将适时调整，行业标准体系建设也将进一步推进，宏观发展环境将日益完善。可以预见，太赫兹科技研究及产业化发展将迎来一波较大的发展机遇。2018，我们期待更多太赫兹科技突破的产生！

岁末冬日的阳光显得是那样的灿烂，令人精神振奋，昭示着美好的开端。新年将至，辞旧迎新。在此，中国太赫兹研发网、《太赫兹科学与技术》国际在线杂志诚挚的祝福所有朋友：新年快乐，幸福安康！向您以及您身边的每一个人，提前道一声“新年好！”

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